解開婷，張兆國*，王一馳，唐金鑫，余小蘭

（1.昆明理工大學(xué)農(nóng)業(yè)與食品學(xué)院，昆明 650500；2.云南省高校中藥材機(jī)械化工程研究中心，昆明 650500）

三七是我國名貴中藥材，具有較高藥用價(jià)值[1]，因其根系復(fù)雜，種植深度較深[2]，土壤質(zhì)地黏稠，收獲三七挖掘阻力大，現(xiàn)有根莖類挖掘鏟難以滿足挖掘需求[3]。為實(shí)現(xiàn)挖掘鏟減阻，需深入研究三七挖掘鏟與土壤作用情況，為后期優(yōu)化三七挖掘鏟提供基礎(chǔ)。

近年來，有限元法逐漸應(yīng)用于農(nóng)業(yè)機(jī)械仿真試驗(yàn)，蔣建東等應(yīng)用有限元法仿真分析土壤旋切振動(dòng)減阻，得出較優(yōu)旋切碎土方式[4]。周文琪等應(yīng)用有限元仿真分析液肥穴施肥機(jī)扎穴針體與土壤相互作用，建立可靠ANSYS針體模型[5]。Mouazen等應(yīng)用有限元仿真分析土壤塑性，設(shè)計(jì)得到地域性較強(qiáng)耕作工具[6]。侯俊銘等利用有限元法建立花生殼和花生仁模型，得出不同加載方式下花生變形量，為改進(jìn)花生脫殼裝備提供理論基礎(chǔ)[7]。以上學(xué)者研究表明，有限元分析方法可獲取物體受力數(shù)值，觀察不同物體間相互作用與形變，適用于難以直接求取物體間相互作用的試驗(yàn)研究。但目前尚未見利用有限元仿真方法，探究三七挖掘鏟與三七種植土壤的相互作用。鑒于此，本文以三七挖掘鏟為研究載體，采用CFD-POST與LS-DAYN對(duì)挖掘鏟作業(yè)過程作動(dòng)態(tài)數(shù)值模擬，分析挖掘鏟運(yùn)動(dòng)特性與土壤受擾動(dòng)情況，通過臺(tái)架試驗(yàn)驗(yàn)證仿真模型準(zhǔn)確性，為后期優(yōu)化三七挖掘鏟奠定理論基礎(chǔ)。

1 仿真試驗(yàn)材料參數(shù)設(shè)定與模型構(gòu)建

1.1 土壤基本物理參數(shù)試驗(yàn)與設(shè)定

三七種植土壤為黏重紅壤，以云南彌勒東山（見圖1）采集的三七種植土壤為研究對(duì)象，通過標(biāo)準(zhǔn)土壤篩分試驗(yàn)得出70%土壤顆粒粒徑小于1 mm，利用激光粒度儀測(cè)定粒徑小于1 mm土壤樣本，得出96%土壤粒徑介于2.38×10-3~2.13×10-1mm，土壤平均粒徑為0.01 mm。參照《NY/T1121.23-2010土粒密度測(cè)定法》《DIN ISO 11465-1996土質(zhì)·依據(jù)重量測(cè)定干物質(zhì)和含水量·稱重法》分別測(cè)得土壤密度、試驗(yàn)土槽土壤含水率如表1所示。查閱相關(guān)文獻(xiàn)獲取含水率為（20±1）%時(shí)土壤彈性模量為2.3×104MPa，泊松比為0.4[8]。

土壤剪切模量可由彈性模量與泊松比近似確定[9]，如式（1）所示。

式中，G為土壤剪切模量（Pa）；E為彈性模量（Pa）；λ為泊松比；?為內(nèi)摩擦角（°）。

表1 土壤材料參數(shù)Table 1 Material physical parametersof soil

采用快剪試驗(yàn)測(cè)定21.3%含水率土壤分別在5×10-2、7.5×10-2、10×10-2MPa垂直壓力下的土壤抗剪切強(qiáng)度，根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)與式（2）、（3），得出土壤抗剪切強(qiáng)度與垂直壓力間數(shù)學(xué)關(guān)系式（4）。

式中，Gp為土壤抗剪切強(qiáng)度（MPa）；c為土壤黏聚力（MPa）；p為外施垂直壓力（MPa）。由計(jì)算得，土壤內(nèi)摩擦角為18.87°。

1.2 Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)則

Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)則是Mothr準(zhǔn)則的特殊形式，即材料在復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下發(fā)生破壞，材料在外荷載作用下，沿某一斜截面上的剪應(yīng)力達(dá)到某一極限值造成[10-11]。Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)則能夠體現(xiàn)材料的塑性變形特性，且參數(shù)較少，容易測(cè)量，廣泛應(yīng)用于土壤、巖土一類材料的仿真分析。

真實(shí)準(zhǔn)確的土壤材料參數(shù)設(shè)定是保證仿真結(jié)果準(zhǔn)確前提條件，為準(zhǔn)確描述土壤在挖掘鏟作用下“掘裂”特性，調(diào)用ANSYS/LS-DYNA中，遵循Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)則關(guān)鍵字材料MAT_147界定土壤參數(shù)。

式中，F(xiàn)m為模型屈服表面力（MPa）；J2為第2個(gè)應(yīng)力偏張不變量（MPa）；k（θ）為應(yīng)力羅德角函數(shù)；A為修正相似因數(shù)，2 360。

因ANSYS/LS-DYNA軟件中無材料MAT_147，需利用后處理軟件LS-PREPOST修改ANSYS/LSDYNA中生成的K文件，修改MAT_147材料主要參數(shù)為：土壤密度、剪切模量、內(nèi)摩擦角、含水率和黏聚力，其余參數(shù)參照MAT_FHWA_SOIL中默認(rèn)值設(shè)定。

1.3 挖掘鏟結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)

三七種植土壤較為黏重，要求挖掘鏟有足夠強(qiáng)度，采用凸面挖掘鏟結(jié)構(gòu)簡單，強(qiáng)度高，且便于后續(xù)簡化仿真模型，提高仿真運(yùn)算效率。挖掘鏟鏟片數(shù)量n由三七種植壟寬與挖掘鏟單鏟鏟寬共同決定。

式中，F(xiàn)為整塊挖掘鏟所受土壤阻力（N）；f為單片挖掘鏟所受土壤阻力（N）。

分析單片凸面鏟受力情況，凸面鏟側(cè)視圖與俯視圖如圖2所示。

圖2 凸面鏟Fig.2 Convex digger

當(dāng)挖掘鏟入土作業(yè)時(shí)，凸面鏟單片鏟尖受到來自三七與土壤阻力f，將f沿鏟尖分解出兩個(gè)力f1和f2，得到：

式中，μ為摩擦因素，一般取0.58~0.71；

根據(jù)摩擦公式：

式中，β0為鏟尖夾角（°）；φ為對(duì)凸面鏟最大摩擦角（°）。

計(jì)算得β0≤120°滿足條件，所以取鏟尖夾角為90° 。

根據(jù)圖3土壤在挖掘鏟上受力分析可得：

圖3 受力分析圖Fig.3 Stressanalysis diagram

解式（9）~（11）得：

式中，F(xiàn)1為鏟面受到的水平力（N）；F2為鏟面摩擦力（N）；G為土壤受到的重力（N）；FN為支反力（N）；γ為鏟面傾角（°）。

為滿足條件，凸面三七挖掘鏟入土角需滿足10°≤γ2<γ1≤20°。查閱相關(guān)文獻(xiàn)，三七挖掘鏟單片鏟寬選取60 mm、挖掘鏟垂直總高度取68 mm可滿足挖掘條件[12]。

為保證挖掘過程中將三七挖掘出土壤并提升一定高度，根據(jù)公式：

式中，b為鏟長（mm）；b1為一階凸面鏟長度（mm）；b2為二階凸面鏟長度（mm）；h為挖掘鏟垂直總高度（mm）；h1為一階凸面鏟高度（mm）；h2為二階凸面鏟高度（mm）；γ1為一階凸面鏟與水平面夾角（°）；γ2為二階凸面鏟與水平面夾角（°）。

計(jì)算得挖掘鏟總長度為302.3 mm，近似取值302 mm。

表2 挖掘鏟材料參數(shù)Table 2 Material physical parameters of excavation

1.4 挖掘鏟-土壤模型

本文利用三維制圖軟件CATIA建立挖掘鏟及土壤模型，保存為igs格式，設(shè)置其初始位置如圖4所示。仿真整塊挖掘鏟，對(duì)電腦配置要求較高，仿真時(shí)間過長，因此僅模擬三片鏟片入土作業(yè)，土壤模型尺寸設(shè)置為400 mm×400 mm×800 mm。將模型導(dǎo)入ANSYS中，采用Mapped方式劃分幾何體，通過Sizing控制網(wǎng)格劃分質(zhì)量，將土壤與挖掘鏟模型劃分為26 375個(gè)實(shí)體單元，得出劃分后網(wǎng)格如圖5所示。

圖4 仿真三維模型Fig.4 3Dsimulation model

設(shè)置挖掘鏟與土壤間接觸為面對(duì)面接觸中Eroding接觸，確保在模型外元件失效后，其余元件仍可接觸。設(shè)置挖掘鏟沿Z方向自由度為0，定義挖掘鏟為主動(dòng)面，設(shè)置X向平動(dòng)約束，土壤為從動(dòng)面設(shè)置固定約束。團(tuán)隊(duì)前期深入研究挖掘鏟運(yùn)動(dòng)參數(shù)[13]，得出挖掘鏟最優(yōu)運(yùn)動(dòng)參數(shù)為：前進(jìn)速度0.6 m·s-1，挖掘鏟與土壤夾角20°，挖掘深度為30 cm，因此定義最優(yōu)運(yùn)動(dòng)參數(shù)為仿真參數(shù)，方向?yàn)閄正方向，求解時(shí)間為2 s，結(jié)果輸出步數(shù)為400步。

圖5 有限元網(wǎng)格劃分結(jié)果Fig.5 Result of finite element meshing

圖6 挖掘鏟運(yùn)動(dòng)方向Fig.6 Dig the direction of shovel movement

2 挖掘鏟-土壤互作分析

2.1 挖掘鏟入土過程分析

以挖掘鏟前進(jìn)速度0.6 m·s-1，入土角20°，挖掘深度30 cm為參數(shù)開展挖掘鏟與土壤互作仿真分析。在作業(yè)過程中挖掘鏟承受3個(gè)方向阻力，分別是挖掘鏟前進(jìn)方向（X軸）所受的阻力，即挖掘鏟土壤阻力，Y軸方向土壤對(duì)挖掘鏟的壓力，即挖掘鏟鏟起物重力，Z軸方向土壤對(duì)挖掘鏟的摩擦力。

圖7表示不同時(shí)刻挖掘鏟不同部位所受阻力情況。t=0 s時(shí)，挖掘鏟鏟尖剛接觸土壤，此時(shí)在X軸方向，挖掘鏟鏟尖所受土壤阻力為750 N；t=0~0.4 s時(shí)，挖掘鏟沿X方向移動(dòng)，此時(shí)鏟尖未全部入土，鏟尖所受阻力相對(duì)集中，挖掘鏟橫梁所受阻力較大，中間與橫梁銜接部分鏟片所受阻力最大，同時(shí)與鏟尖接觸的土壤單元失效，繼而破碎；t=0.4~0.8 s時(shí)，鏟尖已全部入土，此時(shí)挖掘鏟整體所受阻力比較均勻；t=0.8~1.2 s時(shí)，隨挖掘鏟移動(dòng)距離增加，土壤單元不同程度破碎，t=1.2~1.6 s時(shí)，此時(shí)土體不再均勻，挖掘鏟所受阻力集中點(diǎn)發(fā)生移動(dòng)；t=2.0 s時(shí)，挖掘鏟完成一次挖掘作業(yè)。

圖7 各時(shí)刻挖掘鏟阻力變化情況Fig.7 Excavate the changeof shovel stress at each moment

圖8表示不同時(shí)刻土壤破碎情況。t=0 s時(shí)，土壤產(chǎn)生以挖掘鏟鏟尖為中心，向四周階梯擴(kuò)散的楔形破碎痕跡，此時(shí)土壤主要發(fā)生X方向形變，Y軸與Z軸方向土壤未發(fā)生明顯形變；t=0~0.4 s時(shí)，隨挖掘鏟位移變化，土壤受擾動(dòng)范圍變大，加劇土壤形變程度，鏟尖接觸到的土壤單元變形最大，受到的應(yīng)力也最大。被挖掘鏟抬起的土壤向鏟面兩側(cè)滑落，因此Z方向土壤形變范圍也隨之變大。此時(shí)鏟尖未完全進(jìn)入土體，Y軸方向仍未產(chǎn)生明顯形變；t=0.4~0.8 s時(shí)，此時(shí)鏟尖已完全入土，土壤最大形變位置隨挖掘鏟移動(dòng)而向周圍擴(kuò)散，相鄰?fù)寥绬卧搽S之發(fā)生形變。由于挖掘鏟前進(jìn)過程中受到X方向阻力，部分土壤向挖掘鏟前進(jìn)方向的反方向移動(dòng)，從鏟片間隙間落下并堆積，堆積土壤對(duì)挖掘鏟后方土壤產(chǎn)生作用力，使得后方土壤發(fā)生Y方向形變；t=0.8~1.2 s時(shí)，土壤受力范圍繼續(xù)擴(kuò)大，承受阻力值也隨之增加，Y方向土壤形變加劇，表明挖掘鏟作業(yè)過程中，漏土效果顯著；t=1.2~1.8 s時(shí)，土壤在X、Y、Z軸方向形變均隨挖掘鏟運(yùn)動(dòng)繼續(xù)擴(kuò)張；t=2.0 s時(shí)，挖掘鏟完成一次仿真作業(yè)，未與挖掘鏟接觸部分土壤未產(chǎn)生明顯形變。

圖8 各時(shí)刻土壤破碎情況Fig.8 Soil fragmentation at each moment

2.2 挖掘鏟所受三向阻力分析

為節(jié)省仿真運(yùn)算時(shí)間，僅模擬3片鏟片挖掘過程。如圖9所示，在挖掘鏟初始速度為0.6 m·s-1，挖掘鏟挖掘深度為20 cm，入土角為20°情況下，獲得挖掘鏟在一個(gè)鏟土過程中三向阻力變化關(guān)系。

圖10表示土壤在挖掘鏟作用下，土壤移動(dòng)軌跡云圖。t=0~0.25 s時(shí)，由于土體模型在挖掘鏟未運(yùn)動(dòng)時(shí)是完整幾何體，當(dāng)挖掘鏟鏟尖剛開始運(yùn)動(dòng)時(shí)，鏟尖接觸部分由完整土壤單元直接破碎，形變最明顯，對(duì)應(yīng)圖10中紅色部分。因此0~0.25 s內(nèi)，Z軸方向阻力波動(dòng)最大。0.25 s以后，挖掘鏟所受三向阻力變化規(guī)律明顯，因此選取0.25 s后數(shù)據(jù)作分析。t=0.25~2.0 s時(shí)，X軸方向阻力隨挖掘鏟位移增加而呈微波波動(dòng)上升趨勢(shì)，由于挖掘鏟勻速運(yùn)動(dòng)，阻力變化幅度不明顯，最大阻力值為831.25 N；隨挖掘鏟前進(jìn)，鏟面所承受土壤增多，因此Y方向阻力隨作業(yè)距離增加而增加；Z軸方向應(yīng)力因土塊向挖掘鏟四周堆散，入土瞬間波動(dòng)較大，后趨于0，對(duì)挖掘鏟作用最小。

圖9 挖掘鏟三向阻力變化曲線Fig.9 Three-direction resistance curve of excavating shovel

圖10 挖掘鏟作業(yè)過程中土壤軌跡云圖Fig.10 Soil trajectory cloud map during excavating and shoveling operation

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 臺(tái)架試驗(yàn)

使用溫室三七收獲機(jī)前端機(jī)架作為挖掘鏟載體，連接挖掘鏟，該三七收獲機(jī)采用液壓控制，前端機(jī)箱中安裝壓力調(diào)節(jié)表，通過壓力調(diào)節(jié)可控制收獲機(jī)行駛速度，具有較好穩(wěn)定性，因此選擇該三七收獲機(jī)有利于提高試驗(yàn)準(zhǔn)確性，搭建土槽試驗(yàn)臺(tái)并開展挖掘鏟性能試驗(yàn)。試驗(yàn)前測(cè)得土槽土壤含水率為8.1%，通過灑水與翻整，調(diào)制土槽土壤水分至21%，與采樣地土壤含水率基本相同，以處理部分為土槽試驗(yàn)區(qū)開展試驗(yàn)。三七收獲機(jī)挖掘鏟性能試驗(yàn)臺(tái)如圖11所示。測(cè)試試驗(yàn)臺(tái)由溫室三七收獲機(jī)前端機(jī)架、挖掘鏟連接機(jī)架、凸面挖掘鏟、數(shù)據(jù)采集儀、應(yīng)變片、加速度傳感器、振動(dòng)傳感器及筆記本電腦組成。因挖掘鏟作業(yè)過程中與土壤密切接觸，應(yīng)變片直接貼于挖掘鏟上方，導(dǎo)致試驗(yàn)數(shù)據(jù)偏差較大，甚至損壞應(yīng)變片，因此試驗(yàn)前，將應(yīng)變片粘貼于挖掘鏟與機(jī)架連接板內(nèi)側(cè)。為保證試驗(yàn)結(jié)果準(zhǔn)確性，左右兩側(cè)均粘貼4片應(yīng)變片，利用4個(gè)數(shù)據(jù)采集通道，對(duì)挖掘鏟機(jī)架左右兩側(cè)受力應(yīng)變實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。利用三軸加速度傳感器、振動(dòng)傳感器分別采集挖掘過程中三向加速度與挖掘鏟振動(dòng)情況。通過計(jì)算機(jī)接收數(shù)據(jù)采集儀采集的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

3.2 壓力標(biāo)定試驗(yàn)

以挖掘鏟挖掘深度、入土角度為影響因素，挖掘鏟所受最大土壤阻力為測(cè)量指標(biāo)，采用半橋測(cè)量法獲取具體阻力值，連接高精度“S”型拉力傳感器與挖掘鏟，對(duì)其施加不同拉力，得出不同拉力對(duì)應(yīng)的應(yīng)變片應(yīng)變。采用數(shù)顯推拉力計(jì)實(shí)時(shí)顯示并記錄外施拉力數(shù)值，應(yīng)變片接線方式如圖12所示，計(jì)算機(jī)采集應(yīng)變片對(duì)應(yīng)應(yīng)變。為直觀獲得應(yīng)變片應(yīng)變與受力間規(guī)律，采用一階線性擬合法，利用Origin軟件求取二者間函數(shù)關(guān)系，得到應(yīng)力擬合曲線如圖13所示，得出壓力標(biāo)定公式：

式中，P為應(yīng)變片所受拉力（N）；εr為應(yīng)變片應(yīng)變。

圖11 挖掘鏟性能試驗(yàn)臺(tái)架Fig.11 Excavation shovel performancetest bench

3.3 挖掘鏟性能臺(tái)架試驗(yàn)與結(jié)果分析

3.3.1 三向阻力對(duì)比分析

試驗(yàn)得出挖掘鏟作業(yè)過程中所受三向阻力如圖14所示。0~1 s內(nèi)，三七收獲機(jī)處于啟動(dòng)準(zhǔn)備狀態(tài)，此時(shí)三七挖掘鏟未受到三向阻力；1~5 s內(nèi)，挖掘鏟開始作業(yè)，鏟尖接觸土壤并向前運(yùn)動(dòng)，此時(shí)土槽土壤開始發(fā)生形變，因此該時(shí)間段內(nèi)三向阻力變化幅度不穩(wěn)定，規(guī)律不明顯，因此選取5~20 s數(shù)據(jù)作對(duì)比分析；5~20s內(nèi)，三七收獲機(jī)勻速前進(jìn)，X軸方向阻力平緩上升，最大阻力值為2433.38N，整體變化幅度小，但實(shí)際土槽土壤土質(zhì)不均勻、機(jī)架發(fā)動(dòng)機(jī)及風(fēng)扇工作產(chǎn)生振動(dòng)等因素，導(dǎo)致機(jī)架載體也隨之振動(dòng)，因此變化幅度沒有仿真結(jié)果中X軸方向阻力變化均勻；Y軸方向阻力隨鏟面承受土壤的增多而增大，由于鏟片間隙存在漏土，部分被挖掘鏟抬起的土壤掉落回土槽中，因此Y方向阻力并非絕對(duì)線性增長，呈微波抖動(dòng)上升趨勢(shì)；Z軸方向阻力主要來源于兩側(cè)土壤與鏟片間摩擦力，鏟片側(cè)面積較小，因此Z軸方向阻力波動(dòng)較為平穩(wěn)；t=20 s時(shí)，三七收獲機(jī)暫停前進(jìn)，因慣性作用，收獲機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)與風(fēng)扇等部件繼續(xù)工作至25 s，此時(shí)，受機(jī)架本身振動(dòng)影響，還存在三向阻力。X軸、Z軸阻力變化不明顯。Y軸方向因未繼續(xù)前進(jìn)，鏟面土壤部分落下且未掘其新土，其阻力緩慢下降。實(shí)際采集的挖掘鏟阻力整體波動(dòng)較大，但對(duì)比仿真結(jié)果，X軸、Y軸與Z軸阻力變化規(guī)律一致。

圖12 半橋接線法Fig.12 Half bridgeconnection method

圖13 應(yīng)力擬合曲線Fig.13 Stressfitting curve

圖14 挖掘鏟實(shí)際三向阻力Fig.14 Actual three-way resistance of excavating shovel

因僅模擬三片鏟片運(yùn)動(dòng)情況，實(shí)際挖掘鏟共八片鏟片，因X軸方向阻力對(duì)挖掘鏟作用最顯著，根據(jù)式（6）分析仿真與試驗(yàn)結(jié)果誤差，得出其相對(duì)誤差為8.91%。仿真模型較準(zhǔn)確，可為后續(xù)挖掘鏟優(yōu)化改進(jìn)提供理論依據(jù)。

3.3.2 土壤破碎形態(tài)對(duì)比分析

如圖15所示，實(shí)際挖掘鏟開始運(yùn)動(dòng)時(shí)，土壤形成缺口，挖掘作業(yè)結(jié)束后，土壤自然堆積。

圖15 土壤姿態(tài)Fig.15 Soil attitude

如圖16所示，為直觀對(duì)比仿真與實(shí)際挖掘中土壤形變差異，利用OpenCV灰度化經(jīng)高反差保留處理的圖像，提取挖掘輪廓坐標(biāo)。如圖17所示，利用Origin擬合仿真與實(shí)際挖掘輪廓坐標(biāo)。

圖16 輪廓處理流程Fig.16 Contour processing flow

圖17 輪廓坐標(biāo)對(duì)比Fig.17 Contour coordinate contrast

根據(jù)式（17）~（18）計(jì)算得出重合部分仿真土壤挖掘輪廓x、y軸坐標(biāo)相對(duì)誤差分別為17.83%、4.50%。

式中，δ%為仿真土壤挖掘輪廓相對(duì)誤差，下標(biāo)x、y分別表示x軸、y軸；x1、y1為仿真挖掘土壤輪廓橫縱坐標(biāo)值；x2、y2為實(shí)際挖掘土壤橫縱坐標(biāo)值。

由誤差分析可知，x軸較y軸誤差偏大，y軸仿真土壤形變與實(shí)際土壤形變姿態(tài)一致，相對(duì)誤差較小，故本文構(gòu)建的仿真模型可靠。

4 討論與結(jié)論

a.通過實(shí)地調(diào)研采樣，以云南彌勒三七種植土壤為試驗(yàn)樣本，通過土壤基礎(chǔ)物理機(jī)械試驗(yàn)，得出三七種植土壤基本物理參數(shù)。結(jié)合三七種植農(nóng)藝與理論計(jì)算，設(shè)計(jì)挖掘鏟主要結(jié)構(gòu)參數(shù)。利用CATIA三維制圖軟件繪制簡化的三七收獲機(jī)挖掘鏟與土壤三維模型，選用Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)則界定土壤關(guān)鍵字材料MAT_147并修改關(guān)鍵字，得出準(zhǔn)確的仿真參數(shù)。運(yùn)用ANSYS/LS-DNYA有限元仿真軟件，搭建仿真模型，微觀分析挖掘鏟在作業(yè)過程中動(dòng)態(tài)行為特性以及三向受力情況，為后期三七收獲機(jī)挖掘鏟改進(jìn)和優(yōu)化提供方向。

b.通過仿真得出挖掘鏟在前進(jìn)速度為0.6 m·s-1、入土角度為20°、挖掘深度為30 cm時(shí)，挖掘鏟受到的三向阻力變化情況與土壤形變程度。結(jié)果表明，挖掘鏟在X軸方向上（即挖掘鏟作業(yè)方向）所受最大阻力值為831.25 N，對(duì)挖掘鏟影響最顯著；Y軸方向阻力上升趨勢(shì)最為明顯，呈微波抖動(dòng)上升趨勢(shì)，所受最大阻力值為565.60 N；Z軸方向受力平穩(wěn)并趨于0，所受最大阻力值為33.42 N，對(duì)挖掘鏟影響不顯著。

c.搭建三七收獲機(jī)挖掘鏟性能試驗(yàn)臺(tái)，利用應(yīng)變片、8通道數(shù)據(jù)采集儀和多種傳感器組成動(dòng)力學(xué)測(cè)試系統(tǒng)，得出挖掘鏟作業(yè)過程中所受實(shí)際三向阻力。結(jié)果表明，X軸方向所受阻力最大值為2 433.38 N，對(duì)挖掘鏟影響最顯著，Y軸方向阻力呈微波抖動(dòng)上升趨勢(shì)，所受最大阻力值為1 923.33 N；Z軸方向受力平穩(wěn)，所受最大阻力值為360.32 N，對(duì)挖掘鏟影響不顯著。與仿真結(jié)果對(duì)比得出，仿真試驗(yàn)結(jié)果變化符合實(shí)際規(guī)律，仿真挖掘鏟所受阻力與臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果變化趨勢(shì)一致，相對(duì)誤差為8.91%；x軸、y軸土壤形變相對(duì)誤差分別為17.83%、4.50%。誤差均低于20%，驗(yàn)證該模型準(zhǔn)確性與可行性。